BH-VDT 垂直鉆井系統(tǒng)導向塊結構優(yōu)化設計及現(xiàn)場試驗

康建濤 汝大軍 馬哲 魏慶振 黃峰 郭賢偉

渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)［1-3］曾在克深603 井?558.8 mm 井眼和克深 15 井?444.5 mm 井眼垂直鉆井施工中出現(xiàn)導向塊落井事故，延誤了鉆井周期，增加了鉆井成本。為了避免導向塊落井事故再次發(fā)生，針對“單駝峰”導向塊的結構及受力進行了分析，發(fā)現(xiàn)該結構導向塊處于壓縮狀態(tài)時彈簧銷受力磨損較大，大大影響了工具安全性能，也降低了工具使用壽命。針對發(fā)現(xiàn)的問題對導向塊及彈簧銷進行了結構改進，現(xiàn)場試驗結果表明，改進后的導向塊大幅度增加了工具在井下安全使用時間，達到了預期的目的。

1 導向塊落井過程描述

1.1 克深603 井導向塊落井過程

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2014年12月21日 13：30 入井，2014年12月25日 11：00 出井，起出發(fā)現(xiàn)4 個導向塊全部落井。鉆進井段2 122～2 258 m，單趟鉆進尺136 m，工具入井93.5 h，鉆進中鉆壓140～280 kN，轉速120 r/min，扭矩12～20 kN · m，排量63 L/s。

1.2 克深15 井導向塊落井過程

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2015年3月19日 3：30 入井，2015年3月24日 4：00 出井。經檢查相對應的2 個導向塊落井。鉆進井段1 774～1 865 m，單趟鉆進尺91 m，工具入井120.5 h，鉆進中鉆壓140～180 kN，轉速100～120 r/min，扭矩6～15 kN · m，排量60 L/s。

2 導向塊落井原因分析

(1)從現(xiàn)場打撈和工具殘存的彈簧銷碎片看，彈性銷為磨損斷裂。

(2)防導向塊脫落的方式單一，僅彈簧銷具有防導向塊脫落的功能。

(3)單駝峰導向塊設計的缺陷導致導向塊腰孔與彈簧銷接觸摩擦，致使彈簧銷發(fā)生疲勞斷裂，造成導向塊落井。

3 導向塊改進技術方案

3.1 導向塊受力分析

導向塊由嵌入導向塊腰孔和工具本體連接孔的彈簧銷連接固定在工具本體上，以常用的?444.5 mm井眼為例，導向塊工作外徑最小438 mm，最大452 mm。通常只有在自由形態(tài)下導向塊完全伸出時導向塊腰孔頂部才會接觸彈簧銷，產生摩擦(如圖1)，當工具入井后鉆頭尺寸只有?444.5mm，正常情況下，導向塊處于壓縮狀態(tài)，所以彈簧銷不會受力(不同尺寸導向塊設計原理相同)(如圖2)。

圖1 導向塊自由狀態(tài)受力圖Fig.1 Force applied on the guide block in the free state

圖2 導向塊井下受力圖Fig.2 Force applied on the guide block under the downhole condition

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)導向塊與井壁接觸面積較大，為減少導向塊與井壁接觸面積，減少工具產生托壓的可能性，2015年之前采用了“單駝峰”設計，在導向塊推靠以外部分均切削8 mm 的設計方式(如圖3)，但這卻違背了“保證導向塊平行移動，確保導向塊腰孔與彈簧銷無接觸”的設計初衷，由于導向塊肩部沒有接觸井壁，加上受到彈簧片壓縮變形反彈力的作用，導致導向塊腰孔與彈簧銷產生了接觸摩擦，因此加劇了彈簧銷的磨損速度(如圖4)。

圖3 “單駝峰”導向塊結構設計Fig.3 Structure design of “single-lump” guide block

圖4 “單駝峰”導向塊彈簧銷磨損實物圖Fig.4 Wear of spring pin of “single-lump” guide block

3.2 導向塊的改進

為了避免彈簧銷受力受到磨損，導向塊由之前的“單駝峰”結構改為“雙駝峰”結構(如圖5)，新結構一方面減少了與井壁的接觸面積，降低了托壓的可能性；另一方面，該結構設計保證了導向塊在井下的安全，在井眼軌跡規(guī)則和不擴大的情況下彈簧銷始終處于導向塊腰孔中間位置，不影響彈簧銷不受力的設計初衷。

圖5 “雙駝峰”導向塊結構設計Fig.5 Structure design of “double-lump” guide block

3.3 加強彈簧銷組合方式

由于空心彈簧銷在井下磨損后易破裂，進行了實體銷與空心銷組合的設計，相同直徑的實心銷其抗剪切強度為彈簧銷的2 倍以上，再加上空心彈簧銷的預緊力，增強了組合彈簧銷(如圖6)的抗耐磨強度，提高了井下安全系數(shù)。

圖6 組合彈簧銷實物圖Fig.6 Combined spring pin

3.4 擋板組合彈簧銷防退設計

雖然采用了組合彈簧銷方式提高了抗剪切耐磨能力，但實際鉆進中，導向塊受力極其復雜，組合彈簧銷與腰孔之間仍然存在相對運動，存在將彈簧銷組合直徑磨小的問題，直徑磨小后的彈簧銷組合易被帶出本體導致脫落，因此，進行了組合彈簧銷防退擋板設計(如圖7)，有效地防止彈簧銷因位移產生的磨損而造成的強度破壞。

圖7 設計組合彈簧銷防退擋板Fig.7 Back-off damper of combined spring pin

4 改進導向塊在克深1102 井的應用

4.1 克深 1102 井身結構

克深1102 井是庫車坳陷克拉蘇構造帶克深11 號構造的一口評價井，設計井深6 960 m，采用五開井身結構完井。一開設計鉆頭直徑?558.8 mm，井段0～300 m，二開設計鉆頭直徑?431.8 mm，井段300～2 722 m。地質資料表明，該地區(qū)地層傾角在60°左右，鉆進防斜問題比較突出，要求應用垂直鉆井技術打直一開二開井眼。

4.2 施工難點

(1)一開?558.8 mm 大尺寸鉆頭開鉆，鉆進破巖量較大，要求鉆井液攜巖能力好，井眼清潔性能強，大排量下對工具的抗沖蝕性提出更高要求。

(2)一開二開井段鉆遇新近系庫車組、康村組、吉迪克組、古近系蘇維依、庫姆格列木群上泥巖段，地層巖性復雜，泥巖、礫巖、砂礫巖等軟硬巖性交變互層，工具在井下要經受蹩跳、大扭矩的考驗，對導向塊懸掛的穩(wěn)固性提出了更高的要求。

(3)地層傾角大，垂直鉆井工具導向塊單邊受力時間長，工具側向力大，直接影響工具工作壽命。

4.3 施工技術措施

4.3.1 優(yōu)化鉆具組合

一開鉆具組合：?558.8 mmPDC+BH-VDT5000垂鉆工具+浮閥+?228.6 mm DC×1+轉接頭+?558.8 mm 扶正器+轉接頭+?228.6 mm DC×2+轉接頭+?203.2 mm DC×15+轉接頭+?139.7 mm HWDP×15+?149.2 mm DP。

二開鉆具組合：?431.8 mm PDC+BH-VDT5000垂鉆工具+浮閥+?228.6 mm DC×1+轉接頭+?431.8 mm 扶正器+轉接頭+?228.6 mm DC×2+轉接頭+?203.2 mm DC×15+轉接頭+?139.7 mm HWDP×15+?149.2 mm DP。

克深1102 井一開二開均采用單扶組合，只有1 個扶正器，本身為強降斜組合，其優(yōu)點是鐘擺側向力大、降斜率高，缺點是井眼方位穩(wěn)定性差且不能承受大鉆壓。當BH-VDT5000 工具工作時，相當于在近鉆頭處增加了1 個變徑扶正器，整個鉆具調整為弱降斜組合，鉆進時既能承受較大鉆壓又能平滑降斜率；同時BH-VDT5000 工具時刻推靠井壁高邊的特性使鉆頭能保持垂直方向前進，可以達到穩(wěn)定降斜的目的，符合克深1102 井實際需求，最終現(xiàn)場采用這種組合實施控斜鉆進［4-8］。

4.3.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化設計

鉆壓優(yōu)選：因一開井淺，鉆壓設計 0～50 kN；二開井較深，地層成巖性好，需要大一些的鉆壓，并且使用的是PDC 鉆頭，因此鉆壓設計80～180 kN。

轉速設計：一開井眼較大，BH-VDT5000 懸掛?558.8 mm 導向塊，肩部無支撐，組合彈簧容易受到磨損，轉速不宜過快，設計最大轉速90 r/min；二開是BH-VDT5000 垂直鉆井工具適用井眼，轉速可以適當提高，設計最大轉速為120 r/min。

排量設計：排量的設計以滿足攜巖基本要求為依據(jù)，設計最大排量60 L/s。

扭矩優(yōu)化：雖然工具的最大設計扭矩為30 kN · m，但為了保障工具的安全性和長壽命，通過計算，在這2 種尺寸井眼中最大安全扭矩設置為20 kN · m。

4.3.3 優(yōu)選鉆頭

優(yōu)選適用泥巖、砂礫巖和礫巖的PDC 鉆頭，減少跳鉆的可能性，保證平穩(wěn)鉆進，優(yōu)選的PDC 鉆頭類型：一開為T1955AB；二開為BEST TS1953 和STS915K。

4.3.4 使用改進的導向塊設計

使用“雙駝峰”導向塊、組合式彈簧銷以及彈簧銷防退設計，確保垂直鉆井系統(tǒng)在復雜受力狀態(tài)下的穩(wěn)定性和長壽命。

4.4 現(xiàn)場施工概述

一開：BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2016年10月11日 15：30 入井，入井井深 39 m，井斜 0.16°。10月13日 16：00 鉆至井深 296 m 起鉆，井底井斜0.08°，垂鉆進尺257 m，儀器入井1 趟鉆，鉆進參數(shù)：鉆壓 20～40 kN，轉速 60～80 r/min，排量 40～46 L/s，扭矩2～8 kN · m。

二開：BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2016年10月18日 12：30 入井，入井井深 319 m，井斜 0.16°。11月13日 10：00 鉆至井深 2 650 m 完成垂鉆進尺任務，井底井斜0.14°，垂鉆進尺2 331 m，儀器入井共4 趟鉆。鉆進參數(shù)：鉆壓140～160 kN，排量52 L/s，轉速80～90 r/min，扭矩 16～20 kN · m。

克深1 102 井垂直鉆井工具總入井時間664 h，總垂鉆進尺2 588 m，平均機速6.51 m/h，全井段井斜均控制在0.2°以內，詳細施工情況見表1。全程鉆進扭矩限定為20 kN · m，防止井下過大的扭矩對垂直鉆井工具導向塊懸掛機構造成過度疲勞，相對理想的排量和轉速既滿足了鉆井液的攜砂要求和鉆進機速，又降低了對工具的沖蝕和井下震動，更保證了BH-VDT5000 垂直鉆井工具在井下的工作壽命，鉆井參數(shù)優(yōu)化后對工具在山前復雜地層中施工的穩(wěn)定性也有大幅提高。

4.5 改進導向塊應用效果分析

導向塊懸掛機構改進后首次在克深1102 井入井實驗，最長入井時間達到了233.5 h，工具出井檢查本體完好無損，組合彈簧銷無破裂，擋板無松動，導向塊懸掛牢固可靠(如圖8)，證明這次改進后的BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)可滿足山前復雜井的施工要求，真正達到了防斜打快、提高機械鉆速，節(jié)約鉆井周期的目的。

5 結論及建議

(1)改進后的BH-VDT5000 垂直鉆井工具在克深1102 井進行了成功應用，最長入井時間達到了233.5 h，出井后導向塊懸掛牢固可靠，表明改進后的垂直鉆井工具完全可滿足山前復雜井長時間入井的施工要求。

表1 克深1102 井BH-VDT5000 垂直鉆井工具施工情況Table 1 Construction of Well Keshen 1102 by BH-VDT5000 vertical drilling system

圖8 工具出井實物圖Fig.8 Picture of the tool tripped out of the hole

(2)在垂直鉆井施工井段，井斜始終保持在0.2°以內，井身質量控制良好，表明工具測斜、糾斜性能穩(wěn)定可靠。

(3)BH-VDT5000 垂直鉆井工具在克深1102 井二開垂直鉆井服務中只用了25 d 便完成了垂直進尺，比鉆井進度計劃中的49 d 提前了24 d，說明工具的成熟性、穩(wěn)定性完全能夠實現(xiàn)山前高陡構造地區(qū)防斜打直、提高機械鉆速、縮短鉆井周期、節(jié)約鉆井成本的目的。